El CUERPO HUMANO COMOEl CUERPO HUMANO COMO

COMPLEJA MAQUINACOMPLEJA MAQUINA

DEDE

INGENIERIAINGENIERIA

Visión funcionalVisión funcional

LA MAQUINA HUMANALA MAQUINA HUMANAEl cuerpo humano como compleja El cuerpo humano como compleja

máquina de ingenieríamáquina de ingeniería

ESTUDIO DEL SER HUMANOESTUDIO DEL SER HUMANOEl estudio del hombre ha constituido siempre una fascinante tarea para filósofos, poetas, médicos e ingenieros que quisieran comprender las funciones de la inteligencia y del organismo humano definiéndolas completamente si ello fuera posible mediante las leyes de la física, química y otras ciencias conocidas del momento.

Ciencia y TecnologíaLos modelos mediante los cuales avanza la ciencia están habitualmente basados en la tecnología al uso. Podríamos decir que la tecnología proporciona el equipo y los materiales con los que el científico procura comprobar sus especulaciones y teorías.

En el lenguaje de hoy en día, la ciencia vendría a ser quizá el “software” y la tecnología el “hardware”.

TECNOLOGÍA HUMANA - Modelo del hombre. Evolución� El cuerpo humano como recipiente en equilibrio de los 4 elementos (tierra, aire, fuegoy agua), o las 4 cualidades (seco, húmedo, caliente y frio) y los 4 humores (flema, sangre,bilis negra y bilis amarilla). Modelo de los antiguos griegos.

� El cuerpo humano como conjunto de palancas, cables, poleas y fuelles. Siglo XVII, cuando la mecánica de Galileo y Newton parecía capaz de resolver cualquier problema. � El cuerpo humano como ingenio térmico, que consume combustible y utiliza energíaen diversas formas. Modelo de los fisiólogos en la era del vapor.

� El cuerpo humano como una máquina autopropulsada de energía con múltiples e ingeniosos rasgos en su diseño. Modelo del bioingeniero actual.

TECNOLOGIAS HUMANASTECNOLOGIAS HUMANAS

MODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades IMODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades I

� Unos engranajes continuamente variables permiten desarrollar un rendimiento a plena potencia y a muy diversas velocidades

� La máquina se mantiene mediante una gran variedad de combustibles y contiene considerable reservas de los mismos

� Incluye detallados dispositivos de autorreparación y está lubrificada de por vida

� El mecanismo se halla controlado por un computador (el cerebro) más sofisticado que cualquiera de los dispositivos electrónicos similares construidos hasta ahora, que se sirve para su gobierno de:

- Complejos sistemas de orientación y navegación para examinar el entorno mediante dispositivos que incluyen una cámara de 3D y un reproductor de sonido HI-FI Estéreo.

- De un sistema de propulsión, que utilizando algunas de las ventajas de los sistemas de ruedas y carriles permite al animal humano trepar a árboles, saltar fosos y realizar muchas otras maniobras que superan la capacidad de cualquier otro artilugio mecánico o electromecánico conocido.

- De un sistema de comunicaciones, que para la coordinación de las actividades de los diversos sistemas implicados en el gobierno de este mecanismo viviente, puede adoptar una o dos formas, a saber por mensajeria química o por conexión alámbrica.

MODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades IIMODELO TECNOLOGICO HUMANO ACTUAL – Peculiaridades II

- El cerebro, que en principio es el centro de control de esta máquina humana, se ha desarrollado hasta el punto de permitir el pensamiento abstracto, la creatividad artística y, en general, una actividad mental ejercida de un modo regular o continuo, de índole muy compleja, que confiere al hombre una singularidad entre el resto de las criaturas.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (I)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (I)

Al estudiar tal máquina perecedera, habríamos de comenzar examinando su estructura, prosiguiendo conel estudio de los distintos mecanismos y concluyendo con una revisión del centro de control y de las posibilidades de perfeccionamiento en cuanto a diseño o rendimiento.

� Así el funcionamiento de los órganos de los sentidos, responsables de la visión, el oído, el olfato y el gusto, aunque deteriorados con repecto a los de los tiempos primitivos, es impresionante:

- El ojo posee muchas de las características de una sofisticada cámara fotográfica, si bien en un espacio mucho más reducido y con unos controles completamente automáticos.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (II)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (II)

- El oido es quizá demasiado sensible, cómo lo demuestra lo mucho que nos irritan los ruidos. Presenta asimismo una sensibilidad aguda e innecesaria en cuanto a los cambios de tono. Sin embargo estas capacidades, aparentemente superfluas, permiten una gran finura en cuanto a la percepción y apreciación de música y ello en un grado tal que es preciso un cuarto lleno de equipo electrónico para explotar las plenas potencialidades de la combinación de oído y cerebro.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (III)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (III)

� El corazón, considerado como bomba, despierta la admiración por su fino diseño hidraúlico, su adaptación sin esfuerzo a cargas variables y su extremada fiabilidad. Resulta significativo que la máquina de circulación extracorpórea, destinada a suplir las funciones del mecanismo natural durante unas pocas horas, sea tan voluminosamente mayor comparativamente hablando.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (IV)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (IV)

� El riñón es un sistema de ingeniería química con un diseño inimitable ya que “el riñón artificial” (máquina de hemodiálisis) es grande y tosco en comparación con el humano, puesto que los materiales sintéticos no permiten ni aproximadamente los rendimientos del órgano natural.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (V)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (V)

� El higado es el laboratorio principal del organismo. En él predomina también la ingeniería química, ya que sus miles de millones de células superespecializadas realizan funciones que no son capaces de reproducir en su totalidad ni los laboratorios farmaceúticos más avanzados del mundo, llevando a cabo complejos procesos a baja temperatura y sin ninguno de los potentes reactivos que serían precisos en tales laboratorios.

Consideraciones para el estudio de la máquina humana (VI)Consideraciones para el estudio de la máquina humana (VI)� La circulación es un ejemplo de un sistema con fines múltiples, sistemas que se dan con frecuencia en el cuerpo humano, pero que por lo general exceden de la capacidad del diseñador de ingeniería. La sangre no es tan sólo una línea o cadena líquida de montaje, una red de suministro vital y un sistema de eliminación de residuos, sino también la base de los dispositivos corporales, altamente eficaces, de calefacción y refrigeración y del mecanismo de defensa contra las infecciones...

CirculaciónCirculaciónsanguíneasanguínea

< Fuente: Gráfico explicativo de salud de EL MUNDO >

El organismo humano como “caja negra” vivaEl organismo humano como “caja negra” viva

Un ejercicio clásico de análisis en ingeniería incluye la medida de las salidas de un sistema desconocido tal como quedan afectadas por distintas combinaciones de entradas. Este sistema desconocido o “caja negra” suele quedar caracterizado por un conjunto de ecuaciones entrada-salida que intentan definir sus funciones internas. Funciones que pueden ser relativamente simples o enormemente complejas.

�Una de las “cajas negras” más complejas que se puede concebir es un organismo vivo, especialmente el ser humano.

�Dentro de esta caja se pueden encontrar, cómo ya habíamos anticipado :

� Sistemas eléctricos, mecánicos, acústicos, térmicos, químicos, ópticos, hidráulicos, neumáticos y de muchos otros tipos interaccionando todos unos con otros.

� Varios tipos de sistemas de comunicación.

� Una gran variedad de sistemas de control.

� Un potente computador.

Problemas que se encuentran al hacer medidas en un sistema vivo

�Para complicar más la situación, al intentar medir las entradas y salidas de esta “caja negra”, un ingeniero aprendería pronto que nínguna de las relaciones entrada-salida es determinística, o sea que la aplicación repetida de un conjunto de valores de entrada dados no siempre producirá los mismos valores de salida.

�Partiendo del hecho de que, algunas veces es difícil incluso discriminar cuáles son las entradas y cuáles las salidas, hay que contar con que en esta caja hay un elevado grado de interacción entre las variables; que muchas de las importantes variables a medir no son fácilmente accesibles para los instrumentos de medida y que eso da como resultado el que no se pueden determinar algunas relaciones clave o que se deben emplear medidas sustitutivas (indirectas)menos precisas.

�Resumiendo, estos son los problemas que se encuentran al hacer �medidas en un ser vivo (en el ser humano pero también en los �animales, con los que se le sustituye a veces, para permitir medidas�o manipulaciones que no se puedan realizar sin algún riesgo para la�persona):

� Inaccesibilidad de las variables a medir

� Variabilidad de los datos

� Escasez de conocimientos sobre las interrelaciones

� Interacción entre sistemas fisiológicos

� Efecto del transductor en la medida

� Artefactos

� Limitaciones de energía

Left a trium

Left ventricleRight atri um

Right ventric le

Heart

AortaPu lmonary artery

Lung

Hepatic arte ry

L iver

Cap il laries o fgas tro in testina l trac t

Large in testines

S mal l intestines

Innom inate arte ry

Carotid artery

S ubclavian arte ry

B rach ial arte ry

Tibial artery

Femoral artery

Iliac artery

Kidney

Rena l artery

ARTERIAL SYSTEM

Alveolar capi l la ries

Función de la instrumentación médicaFunción de la instrumentación médicaConsideraciones especiales de seguridadConsideraciones especiales de seguridad

�Aunque la tarea de medir y analizar las variables en una “caja negra viva” probablemente es de lo más dificultoso en ingeniería no deja de ser un estupendo reto para un ingeniero, de los que trabajando en este campo de la medicina, esté motivado por el objetivo de intentar comprender las relaciones internas del organismo humano. La función de la instrumentación médica a la que él colabora en su desarrollo es ayudar al médico y al investigador a idear formas de obtener medidas del ser humano vivo, fiables y significativas.

�Aún se dan otros problemas asociados con tales medidas que hacen que muchas de las técnicas empleadas normalmente en la instrumentación, no se puedan aplicar aquí, a saber que :

�1. El proceso de medida no debe poner en peligro en modo alguno la vida de la persona en la que se realizan las medidas

� y

�2. No debería exigir que el individuo soporte un excesivo dolor o incomodidad o cualesquiera otras condiciones indeseables

�Algunos factores adicionales a añadir a las dificultades ya mencionadas para obtener medidas válidas son también:

� El entorno del hospital dónde se realizan.

� El personal médico involucrado.

� Ocasionalmente incluso consideraciones éticas y legales.

Sistema clásico de instrumentaciónSistema clásico de instrumentación

�Dado que en la obtención de datos de los organismos vivos aparecen problemas especiales y debido a la gran interacción entre el sistema de instrumentación a emplear y la “caja negra” (el individuo) en dónde medir, es esencial que la persona en la que se hacen las medidas sea considerada parte integrante de tal sistema global de instrumentación o sistema hombre-instrumento.

�Un sistema clásico de instrumentación podemos definirlo como el conjunto de instrumentos o equipo utilizado en la medida de una o más características o fenómenos más la presentación de la información obtenida, a partir de estas medidas, de forma tal que la pueda leer e interpretar el hombre.

“Caj

a ne

gra”

Sistemas globales de instrumentaciónSistemas globales de instrumentación�Los objetivos básicos de cualquier sistema de instrumentación se enmarcan, por lo general, dentro de una de las siguientes categorías principales:

� Sistemas de adquisición de Información

� Sistemas de Monitorización

� Sistemas de Diagnóstico

� Sistemas de Evaluación

� Sistemas de Control

El campo de la instrumentación biomédica en general abarca o incluye, hasta cierto punto, todos esos objetivos del sistema general o global de instrumentación.

La instrumentación para investigación biomédicapara investigación biomédica se puede considerar, por lo general, como instrumentación de adquisición de información, aunque algunas veces se incluye algunos instrumentos de monitorización y control.

Estos junto con los de diagnóstico, son los que habitualmente conforman la instrumentación que sirve para ayudar al médico en el diagnóstico de enfermedades y otras alteraciones físicas del organismo, así cómo también se utilizan extensamente en la evaluación del estado físico de los pacientes, en reconocimientos médicos ordinarios. También se emplea una instrumentación similar para la monitorización de pacientes durante una operación o una estancia en cuidados intensivos.

La instrumentación biomédicaLa instrumentación biomédica

�La instrumentación biomédica se puede clasificar por lo tanto en dos grandes grupos principales:

� De investigación. Se utiliza principalmente en investigación para conocer algo nuevo acerca de los distintos sistemas que componen el organismo humano.

� Clínica. Está dedicada básicamente al diagnóstico, cuidado y tratamiento de pacientes.

Dentro de este grupo cabe considerar también grosso modo dos subgrupos:

uno el de la instrumentación que tiene por objeto facilitar una visión mas funcional del organismo –la llamada instrumentación para la monitorización y diagnóstico de pacientes-

y otro el de la instrumentación cuyo objetivo era hasta hace bien poco, facilitar una visión mas anatómica de éste

–la llamada instrumentación para el diagnóstico por la imagen-

Ambos dos subgrupos, ejemplos de los cuales, se dan ahora a continuación serán el objeto de nuestra atención, a lo largo de todo este programa expositivo de “LA INGENIERIA AL CUIDADO DE LA SALUD ó una introducción a la Bioingeniería”.

Tipos de instrumentación biomédicaTipos de instrumentación biomédica

Instrumentación biomédica clínica (I) Instrumentación biomédica clínica (I) Diagnóstico y Monitorización

• Electrocardiógrafos• Sistemas de cateterismo (Polígrafos)• Cardiotocógrafos• Espirómetros• Monitores (presión, temperatura,…)• Centrales de alerta y vigilancia• Etc.

Terapia y Estimulación

• Radioterapia• Onda Corta• Láser• Ventiladores / Respiradores• Desfibriladores manuales y automáticos• Marcapasos externos e internos• Etc.

Instrumentación biomédica clínica (II) Instrumentación biomédica clínica (II)

Equipos Quirúrgicos

• Electrobisturí• Máquina de Anestesia• Mesa Quirúrgica• Etc.

Varios

• Litotricia• Circulación extracorpórea• Máquina de hemodiálisis• Autoanalizadores/Equipos de clínica analítica (Lab.)• Informática Sanitaria

Instrumentación biomédica clínica (III) Instrumentación biomédica clínica (III)

Diagnóstico por Imagen

• Rayos X de diagnóstico• Fluoroscopia• Angiografía• TAC• Equipos de Medicina Nuclear Gammacamara, PET, SPECT• Ecografía • RNM• Endoscopia• Colonoscopia• Termografía• Etc.

Instrumentación biomédica clínica (IV) Instrumentación biomédica clínica (IV)

Las medidas en las que se emplea instrumentación biomédica se pueden dividir también en dos grupos:

� “In-vivo”. Son aquellas realizadas sobre o dentro del organismo vivo. Un ejemplo que nos va a servir bien para contrastarlo con el otro grupo, podría ser un dispositivo insertado en la corriente sanguínea para medir los gases (pO2, pCO2 y pH) de la sangre directamente: los sensores del TrendCare

�

Las medidas biomédicas (I)Las medidas biomédicas (I)

� “In-vitro”. Son aquellas otras que se realizan fuera del organismo aun cuando estén relacionadas con su funcionamiento. El ejemplo sería la medida de esos mismos gases de una muestra sanguínea extraida de un paciente: los cartuchos del sistema IRMA, que tambiénpueden medir los electrólitos de la sangre (Na, K, Ca...) y calcular otros parámetros bioquímicos humanos tales como la hemoglobina total (Hb), el hematocrito (Hct), el bicarbonato (CO3H), el dióxido de carbono total (TCO2), la saturación de oxígeno (sO2), el exceso de bases (BE), etc.

�

Las medidas biomédicas (II)Las medidas biomédicas (II)

EPOEPOEritropoyetinaEritropoyetina

< Fuente: Gráfico explicativo de salud de EL MUNDO >

Sistema global hombre-instrumentoSistema global hombre-instrumento

Dado que es el individuo quién hace a este sistema distinto a los otros sistemas de instrumentación, habrá que prestarle atención a los sistemas fisiólogicos que constituyen su organismo.

El ser humano como un todo (el nível de organización más alto) se comunica consu entorno de muchas formas, según yahemos visto. En la jerarquía de organizaciónlo que sigue al conjunto del ser son los sistemas funcionales principales que,a su semejanza se comunican unos conotros así como con el medio externo y que se pueden desglosar en subsistemasy órganos que a su vez se pueden subdividir en unidades cada vez más pequeñas. El proceso puede continuar hasta elnível celular e incluso hasta el nível molecular.

�La meta principal de la instrumentación�biomédica es hacer posible la medida �de la información comunicada por todos�estos diversos elementos.

Sistemas fisiológicos del organismo humanoSistemas fisiológicos del organismo humano

�A continuación se da una breve descripción, orientada desde el punto de vista de la ingeniería, de algunos de los principales sistemas fisiológicos del cuerpo, que nos servirá de apoyatura para los desarrollos que haremos mas adelante:

� El sistema cardiovascular. Desde la perspectiva de un ingeniero se puede contemplar como un sistema hidráulico complejo y cerrado con una bomba (corazón) conectada a unos tubos flexibles y a veces elásticos (vasos sanguíneos).

� El sistema respiratorio. Sistema neumático con una bomba de aire (diafragma) que produce la succión y expulsión de aire de dos bolsas elásticas (pulmones) situadas dentro de una cámara hermética (cavidad torácica). Las bolsas están conectadas al medio externo a través de un conducto común en un punto, con el de combustible. � El sistema nervioso. Es la red de comunicación del organismo. Su centro es una CPU autoadaptativa (cerebro) con memoria, potencia de cálculo, capacidad de decisión-actuación y una miríada de canales de E/S.

� El sistema digestivo (bioquímico). Eficientísima y altamente diversificada factoría química cuyas operaciones son autosostenidas por cuanto a partir de un único punto de entrada de combustible (alimento), agua y aire, se producen dentro del cuerpo todos los materiales para el crecimiento y la reparación, la energía para la actividad del cuerpo, las sustancias mensajeras para la comunicación, etc.

Principales sistemas fisiológicos humanosPrincipales sistemas fisiológicos humanos

BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA Y RECOMENDADAUTILIZADA Y RECOMENDADA

(EN CASTELLANO)(EN CASTELLANO)

Ingeniería biomédicaIngeniería biomédica por H.S. Wolf. Biblioteca para el Hombre Actual. Ediciones Guadarrama

Ingeniería humanaIngeniería humana por John Lenihan. Alianza Editorial

Introducción a la bioingenieríaIntroducción a la bioingeniería, coordinada por José Mompín Poblet. Serie Mundo Electrónico. Editorial Marcombo

Instrumentación y medidas biomédicasInstrumentación y medidas biomédicas por Leslie Cromwel y otros. Editorial Marcombo

El organismo humanoEl organismo humano por David F. Horrobin. Editorial Bruguera

RECURSOS RECURSOS UTILIZADOS y RECOMENDADOSUTILIZADOS y RECOMENDADOS

Documentación PHILIPSDocumentación PHILIPShttp://www.medical.philips.com/es_es

Documentación EL MUNDODocumentación EL MUNDOhttp://www.elmundo.es/graficos/multimedia/salud_hist.htmlhttp://www.elmundo.es/elmundosalud/especiales/2008/01/anatomia_corazon

OtrosOtrosRevistas, folletos, internet, sitios comerciales, etc.

Otros sitios de interésOtros sitios de interéshttp://www.seib.org ………….……..…………...... Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

http://www.seeic.org ………...… Sociedad Española de Electromedicina e Ingeniería Clínica

http://www.fenin.com ……..….… Federación Española de Empresas de Tecnología Sanitaria

http://www.gehealthcare.com/eses/sitemap.html .................. Empresa GE Healthcare

http://w1.siemens.com/entry/es/es ………………….…..……… Empresa SIEMENS Medical